تحقیق مقاله پراکندگی هیدرودینامیک درتل ماسه اشباع نشده

خلاصه :

گسترش محلول ها نسبت به وضعیت جابه جایی میانگین درطول جریان آب در خاکها درنتیجه پیچش ازطریق کمپلکس منفذ اشباع شده میباشد. گسترش باضریب پراکندگی هیدرودینامیک درمعادله پراکندگی همرفتی مشخص میشود. این ضریب به طور وسیعی برای خاکهای اشباع شده مطالعه شده است. دراین مطالعه ضریبهای پراکندگی هیدرودینامیک برای تل ماسه غیر انباشته به عنوان تابعی از ثابتهای آب حجمی تتا تعیین شد که تغییر حدودی از اشباع تا 0.08cm3cm-3 درستون های 5cm‌ قطری و طول 25 تا 40 سانتی متری دارند. آزمایشات جریان شیب واحد جهت اندازه گیری منحنی های پیشرفته محلول با به کارگیری ردیابهای شوری با 4 الکترود درچندین عمق ستونی انجام شدند. پارامترهای حمل برای معادله پراکندگی همرفتی و مدل متحرک –غیرمتحرک با بهینه سازی محلولهای تحلیلی با منحنی های پیشرفته محلول مشاهده شده تعیین شدند. یک پراکندگی حداکثر گاما 0.97 cm ‌ در تتا برابر است با 0.13 یافت شد درصورتیکه برای جریان اشباع شده گاما برابر با 0.1cm‌ صرف نظر از سرعت آب منفذ از208 تا 5878d-1‌ تغییر حدود دارد . برای مدل متحرک و غیر متحرک بخش آب متحرک به تدریج با وحدت دراشباع با یک حداقل 0.85 در تتا برابر با 0.15 به دنبال افزایش جزئی با اشباع دوباره بیشتر میباشد. زمان تبادل بین فازهای متحرک و غیرمتحرک یک دهم تا دو دهم برای تتا بزرگتر از پانزده صدم فرضا به علت جریان نسبتا همگن با ترکیب محلول همرفتی بود. برای تتای کمتر تبادل خیلی کند تر میشود ازآنجائیکه جریان غالبا به علت V  کوچکتر و لایه های نازکتر آب خیلی کندتر میشود درحالیکه مقاومت  برای تبادل محلول بین فازهای متحرک وغیر متحرک افزایش می یابد. این اثرات ترکیبی منجر به مقدار پراکندگی حداکثر درمحتویات آب میانیدرصورت تل ماسه غیر انباشته شده میشود .

درطول جریان آب در محیط های منفذ دار مواد حل شده به علت پراکندگی هدرودینامیک گسترش میدهد که شامل پراکندگی مولکولی و پراکندگی مکانیکی میباشد. پراکندگی مکانیکی رخ میدهد زیرا جریان آب با بزرگی و جهت درمنافذ خاک درنتیجه پیچاب ازطریق ساختمان منفذ کمپلکس تغییر میکند. میزان گسترش به توزیع سرعت آب درمقیاس منفذ و میزان هم گرایی و واگرایی مسیرهای جریان و پراکندگی مولکولی مربوط میباشد. غالبا جیان محلول به علت پراکندگی مکانیکی با فرایند فیکیان توضیح داده میشود. شباهت درست بین پراکندگی وپراکندگی مکانیکی منجربه عملکرد مشترک ترکیب کردن این فرایندها با یک فرایندی از پراکندگی میگردد. این روش باید به دقت بررسی شود ومورد تحقیق قرار بگیرد زیرا معادله ریاضی ضرورتا شباهت فیزیکی را نشان نمیدهد. جریان محلول ممکن است با مجموع جریانهای پراکندگی همرفتی و هیدرودینامیک زیر تعریف شود. که c  حجم میانگین یا غلظت ماندگار و z وضعیت یا عمق و D  ضریب پراکندگی هیدرودینامیک و تتا مقدار آب حجمی و jw جریان آب دارسی است. درخاکهای اشباع شده ضریب پراکندگی با معادله زیر مشخص میشود. که دراولین جمله De یک ضریب پراکندگی موثر درحالیکه دومین جمله ضریب پراکندگی مکانیکی را توضیح میدهد درجایی که گاما به پراکندگی اشاره میکند و سرعت آب منفذ را مشخص میکند وn  یک ثابت تجربی است. نقش پراکندگی مولکولی میتواند  باتعداد پراکندگی مولکولی peclet ارزیابی شود.      درجایی که d اندازه میانگین ذره خاک یا بعضی از طول های مشخص با محیط پرمنفذ است. جمله طیفی پراکندگی مولکولی درمعادله 2 همان ترتیب بزرگی رابرای جمله طیفی پراکندگی مکانیکی رادارد. با ‌افزایش Pe کمک پراکندگی به پراکندگی مکانیکی نامحسوس میشود اما انتشارعرضی که به طور معکوسی با پراکندگی مکانیکی درمفهوم پراکندگی تایلور ارتباط دارد باید درنظرگرفته شود. مقادیر نمونه برای n درتغییر حدودی بین 1و 1.2 هستند در Pe بالاتر ضریب پراکندگی یک افزایش تقریبا خطی را با سرعت آب منفذ درمورد ماسه های غیر انباشته شده یا مهره های شیشه ای نشان میدهد. پراکنده کنندگی فرضا یک ویژگی ذاتی خاک برای جران اشباع شده میباشد. پراکندگی هیدرودینامیک درخاکهای اشباع نشده پیچیده تر از آن در خاکهای اشباع شده است. با کاهش مقدار آب سرعت آب منفذ کم میشود و هندسه فاز مایع درمنافذ انتقال دهنده آب با فرصت کمتری برای ترکیب کردن و و پیچ و خم افزایش یافته تغییر میکند. ضریب پراکندگی بستگی به مقدار آب و سرعت دارد که ممکن است شبیه به معادله 3 بیان شوند.  درمورد محیط های غیر انباشته شده ازقبیل مهره های شیشه ای و ماسه ها گسترش بیشتر محلول و پس مانده طولانی تر برای منحنی پیشرفت محلول در مقادیر آب کمتر مشاهده شده اند . ازاینرو مقادیر بزرگتر برای گاما برابر با D/V برای شرایط اشباع نشده نسبت به اشباع شده یافت شده اند. De smedt و wierenga  پراکندگی بیشتری را در مهره های شیشه ای با مدل متحرک و غیر متحرک توضیح دادند. این محققان دریافتند که مقدار آب متحرک به طور خطی با مقدار آب کلی افزایش می یابد درحالیکه ضریب انتقال جرم بین فازهای متحرک و غیر متحرک آلفا به طور متناسبی با سرعت آب منفذ افزایش یافتند ماراکاو دیگران پراکنده کنندگی بیشتری را برای خاکهای ماسه ای اشباع نشده دریافتند اما آنها دنباله منحنی پیشرفت محلول را مشاهده نکردند. پادیلا و دیگران ثابت کردند که برای یک ماسه اشباع نشده پارامترهای معادله پراکندگی همرفتی و مدل متحرک و غیر متحرک نه تنها تابعی ازویژگیهای خاک هستند بلکه تابعی از مقدار آب هستند. ماتسوبایاشی و دیگران طول مخلوط را برای پراکندگی اشباع نشده براساس انحراف معیار v برای تتای مختلف با به کارگیری مدل حفظ مویین اریابی کردند. علیرغم مطالعات مذکور ودیگر مطالعات جهت توضیح دادن پراکندگی اشباع نشده یک فقدان اطلاعات همسان و جامع وجود دارد . مشکل برای ایجاد کردن شرایط جریان یکنواخت اشباع نشده ممکن است منجربه تخمینات غیر دقیق پارمترهای حمل گردد. چند اطلاعات برای مقدار های کمتر آب وجود دارد زیرا میزان جریان کم پیوسته منجر به آزمایشات جابه جایی زمان بر میگردد. دراکثر مطالعات غلظتهای مجرای خروجی جهت تعیین کردن منحنی پیشرفت محلول مورد استفاده قرار گرفتند. پراکندگی القاء شده با دستگاه ممکن است منجر به پارامترهای حمل پیش قدردار میگردد. درحالیکه یک منحنی تکی پیشرفت محلول برای یک آزمایش برای ارزیابی کردن مدل حمل یک پایه ناقصی را فراهم میکند. هدف اصلی این مطالعه بررسی کردن پراکندگی با تغییرحدود وسیعی ازمقادیر آب تحت شرایط جریان شیب واحد دریک تل ماسه است . به این منظور ما درمحل منحنی پیشرفت محلول را با نتیجه گرفتن غلظتهای ماندگار کلی از قابلیت هدایت الکتریکی خاک انباشته اندازه گیری شده باردیابهای درجه شوری با 4 الکترود درچندین عمق درستون های پر شده با تل ماسه توتوری تعیین شدند. مقادیری برای پارامترهای معادله پراکندگی همرفتی و مدل متحرک و غیر متحرک با بهینه سازی محلولهای تحلیلی این مدل های حمل شده با منحنی پیشرقت محلول مشاهده شده تعیین شدند. مخلوط و ترکیب محلول درماسه اشباع نشده برحسب عملکرد پراکنده کنندگی به عنوان تابعی از مقدار آب بحث خواهند شد.

مواد و روشها :

 آزمایش جابه جایی :

یک تل ماسه توتوری خوب جور شده به طور یکنواختی با تراکم توده خشک  پرمیشوند ، pb= 1.67g cm-3 درستون های5cm  قطر و طول 25 تا 40 سانتی متری . تل ماسه یک اندازه میانگین ذره با قطری بین 0.149mm  تا 0.5mm داشت. جهت به حد اقل رساندن گرفتگی فیلتر درطول آزمایشات جابه جایی ما ذرات نرم را درماسه 2.5 تا 1 درصد با شستن ماسه با آب مقطر کاهش دادیم. قابلیت هدایت هیدرولیک اشباع شده 550cm d-1 بود. شکل یک منحنی بازداری آب را که با یک ستون آب پایین افتاده در حالت اشباع اندازه گیری شده اند را نشان میدهد. ازمنحنی آشکار میشود که ماسه مقدار ورودی هوای کمی دارد و تغییر حدود محدودی در اندازه های منفذ دارد. شرایط جریان اشباع شده و اشباع نشده در حالت ثابت با به کارگیری محلولهای CACL2 برقرار شدند. شکل دو ترتیب آزمایشی را برای آزمایشات جابه جایی نشان میدهد. جریان شیب واحد با به کارگیری یک ستون آب پایین افتاده برای شرایط اشباع نشده برقرار شد. ستون خاک درابتدا از پایین با به کارگیری یک بطری ماریوت اشباع شد. سرعتهای جریان jw  با تغییر حدود 4 تا 452 cmd-1  با استفاده کردن ازآب با سطح خاک پوشیده شده با کاغذ صافی ازیک سوزن متصل به یک پمپ موجی با به کارگیری بطری خیره ای ازنوع ماریوت برای محلول سیال ورودی به دست آمدند. ماتاییدکردیم که جریان آب به نسبت درسرتاسر نمونه برای دوتا سه متر خاک با به کارگیری محلول رنگی همگن بود. یک صافی شیشه ای ذوب شده با ضخامت 5میلی متر در ته خاک برای کنترل کردن ارتفاع فشاری قالبی مورد استفاده قرار گرفت. بسته به سرعت جریان ما یک صافی با یک قابلیت هدایت اشباع شده 12، 25 ‌یا  50cm d-1 و یک ارتفاع فشاری ورودی هوای متناظر -200, -150 , -70 cm‌ را برای به حداقل رساندن افت فشار درسرتاسر فیلتر پایین انتخاب کردیم. ارتفاع فشاری با تنظیم کردن وضعیت نقطه چکیدن ستون آب پایین افتاده تظیم شد. ازآنجائیکه به دقت پیش بینی کردن افت فشار درسرتاسر صافی به علت گرفتگی احتمالی مشکل بود ما مکش کاربردی خواندن رطوبت سنج خاک بالای فیلتر را تعیین کردیم. برای به حد اقل رساندن اثرات پسماند ما به تدریج ارتفاع فشاری ته برای رسیدن به جریان شیب واحد کاهش دادیم. یک ستون خاک مشابه برای جریان اشباع شده استفاده شد. یک توری شبکه ای ظریف در ته به جای صافی شیشه ای مورد استفاده قرار میگیرد. بعد از اشباع شدن ستون خاک ته سرعتهای جریان اشباع شده ثابت با تغییر حدود jw= 73 to 2059cm d-1  با تنظیم کردن ارتفاع آبی دربالای ستون با به کارگیری بطری ماریوت برقرار شدند. قابلیت هدایت الکتریکی با حسگرهای درجه شوری 4ردیابه اندازه گیری میشوند که به طور افقی درستون در سه تا پنج عمق جاگذاری میشوند. هرردیاب شامل 4 میله فولاد ضد زنگ با قطر 1.6 mm  و طول 20mm  میباشد. دومیله داخلی و خارجی فاصله های 8و 16 میلی متری دارند. نسبت شارش جریان برق ازطریق الکترودهای خارجی با اختلاف ولتاژ بین دوالکترود داخلی با به کارگیری ثبت کننده اطلاعات با یک تسهیمگر اندازه گیری شد. ارتفاع فشاری آب خاک با کشش سنج ریز با قطر 2میلی مترو طول 10میلی متر متصل به مبدل های فشاری کنترل شدند. بعد ازبرقراری جریان درحالت ثابت محلول سیال ورودی ازغلظت c0 به c1 برای تعیین کردن منحنی پیشرفت محلول تغییر کرد. جهت به حداقل رساندن اثرات غلظت درجریان آب اختلاف بین c0 و c1 نسبتا کم بود درحالیکه هنوز اجازه اندازه گیریهای دقیق منحنی پیشرفت محلول را با الکترودهای 4 ردیابه میدهند. ما به طور جزئی برای مقادیر کمتر آب ازغلظتهای بالاتر استفاده کردیم زمانی که خواندن های 4ردیاب کمتر میشود. خواندن های  Eca  4 ردیابه دریک مقدار آب خاص با قابلیت هدایت الکتریکی محلول خاک تناسب دارند .ازآنجائیکه رابطه ای خطی به طور کلی بین غلظت محلول باقی مانده آب خاک مشاهده میشود c و Eca با ثابت بودن تتا با Eca نیز متناسب است. درجایی که A و B ثابتهایی هستند و t‌ زمان است. زمانیکه ورودی پله ای دائمی به کارگرفته شوند دوثابت معادله 5 میتوانند با دومجموعه از مقادیر c و Eca متناظر با c0 و c1 میباشند. اگر مدت زمان کاربرد پالس به اندازه کافی طولانی نباشد که به یک مقدار ثابت Eca متناظر با c1 برسیم ، ما برای تعیین کردن ثابتها بازیابی کلی جرمی را میپذیریم یعنی 4ردیاب درعمق z برای تعیین کردن ثابتها کلیه جرم محلول ورودی را نشان میدهد.